【两会声音】包信和院士:煤炭应尽量少用于燃烧发电、多实施高效转化(《中国能源报》)

  来源:《中国能源报》

  发布时间:2020-05-28

  煤炭是我国的主体能源和重要工业原料。今年的政府工作报告再次强调,“推进煤炭清洁高效利用”。  

  如何做好“清洁高效”的大文章?全国人大常委会委员、中国科学院院士、中国科学技术大学校长包信和认为,在未来能源体系中,煤炭应尽量少用于燃烧发电、多实施高效转化。

  一方面,在技术成熟、成本降低的前提下,利用风、光和核等可再生能源替代煤电,逐步降低煤在发电中的比例,是经济社会发展的愿景和必然趋势。

  另一方面,随着新材料的需求越来越旺盛,碳资源需求量随之增加。在我国,煤炭正是最现实、最可靠的“碳源”选项。而要使煤成为绿色高效的碳资源,二氧化碳排放、高耗水,及废水,废渣处理是必须面对的现实问题。

  文丨本报记者 朱妍

  中国能源报:随着能源转型进程加速,当前不乏“去煤化”呼声。对此,您怎么看?

  包信和:我国的能源结构长期以煤为主,但不少地方现在提到煤炭就打怵,为何?主要是因为,煤在使用过程中排放大量二氧化碳,消耗大量水资源,对环境产生大量污染。

  是不是因此就要“去煤”呢?受多重因素影响,今年的国际能源市场充满变数,给保障能源安全敲响警钟。2019年,我国原油和石油对外依存度双破72%,天然气对外依存度突破46%。从已探明的开采量来看,我国石油大概可采12年,天然气大概可采30年,煤炭还可以采50年以上。在一定期间内,尤其是动荡的国际大环境下,真正靠得住、自主的主体能源还是煤,煤炭是我国能源安全的“压舱石”。

  中国能源报:围绕“清洁高效”,如何充分挖掘煤的潜力?

  包信和:煤炭在我国有两种主流利用方式。一是作为能源,燃烧发电;二是作为原料,制备化学品。

  煤电在我国电力供应结构中占比一直超过50%,但随着可再生能源技术发展、成本降低,煤炭应该不再是发电的唯一选择,风电、光伏及先进核电等新能源逐步替代煤电,是我国经济社会发展的愿景和必然趋势。未来,煤到底还要不要大比例用于发电,是一个值得探讨的问题。

  另一方面,我国对化学品的需求量非常大,现有获得途径主要依赖原油。以烯烃为例,从传统的石脑油裂解产生烯烃,10吨原油约可炼制3吨石脑油,进而得到1吨左右烯烃。我国每年约消耗5000万吨左右烯烃,相当于必须具备5亿吨炼油能力,同时消耗大量油资源。在“贫油、少气、相对富煤”的资源禀赋下,我们很难像国外那样完全依赖石油化工,利用煤炭制备化学品是符合国情的现实之选。比如,我国煤制烯烃年产量已超过1000万吨,可降低我国珍贵的石油消耗。

  从转化过程来看,制备化学品少不了“碳”这一重要元素。该元素无法从可再生能源中直接获取,自然界经过亿万年演变,以化石资源的方式将最好的“碳源”保存了下来。在我国,最丰厚的“碳源”就是煤炭。未来如何大量从可再生资源获取稳定的碳源,至少目前尚不明确。

  对此,我们必须“精打细算”地用好这些不可再生的碳资源。在可再生能源发展日渐成熟的基础上,发电用煤能少就尽量少。把煤用作碳资源制备更多化学品,即发展现代煤化工,是未来清洁高效利用的主要途径。

  中国能源报:既然是主流途径,现代煤化工为何长期存在争议?

  包信和:一个主要原因是经济问题。

  大家会讨论,国际油价到多少时煤化工才有利可图。在某种意义上,这是一个伪命题。一方面,尽管不是完全绑定,但从趋势来讲,各种能源的价格在一定时间内总是要趋同的,不存在长期脱钩。另一方面,由于种种原因,国际油价波动很大,从战略来讲很难根据某一时的油价来决定煤化工项目的上下去留。从国内几个在运煤化工企业来看,其经济性很大程度取决于企业是否有自备煤田,原煤有没有经过中间加价。

  除了经济性考量外,目前对煤化工的诟病主要集中在三个方面。要实现清洁高效利用,这三个关键问题必须彻底解决。

  一是二氧化碳排放。煤的结构及反应过程,决定其燃烧一定会产生二氧化碳,燃烧1吨煤不可避免要排放3吨以上二氧化碳。碳减排既是现实需求,也是我国应对气候变化的国际承诺。真正碳减排成本很高,一般企业难以承受。

  现在也有一些所谓的碳减排技术。例如,将二氧化碳回收制成干冰,看上去收集了一部分二氧化碳,其实上使用干冰又会排放等量的二氧化碳。非但没有实现环保,捕集过程反倒消耗能量,增加排放。是否实现碳减排的一个基本判据,在于最终回到大气中的二氧化碳是不是少了,即有没有被固化、被掩埋,或者转化为其他产品。

  二是耗水。煤化工项目往往是用水大户,在煤气化、合成(水煤气变换调整氢碳比),及后续产品纯化、分离等环节均离不开水。相应的,合成转化过程产生大量废水。原理上来说,采用现代技术,煤化工过程中的废水都可以经过处理循环利用,但是费用越来越高。

  三是排放废气、废渣。煤中杂质燃烧产生的废气和固废对环境造成很大压力,无害化处理和资源综合利用的费用逐年攀升,企业压力加大。

  中国能源报:有没有办法解决上述问题?

  包信和:彻底解决的根本途径在于技术突破,其中催化技术又被寄予厚望。

  催化可改变化学反应的速度,通过调节反应途径,最终实现化学反应的“精准”。石油化工正是利用催化剂这把“剪刀”,把原油中的大分子“剪裁”成大小不同的分子,从而得到所需的化学品。

  90多年来,煤化工一直沿袭费托合成技术,即“煤气化-水煤气变换-化学品或液体燃料合成”的转化路线。先将固体的煤转化为气体,通过水与一氧化碳反应获得氢气(水煤气变换反应),由此调节合成气的氢碳比,再通过传统费托合成方法用氢分子除去一氧化碳分子中的氧原子,获得化学品。其中,水分子参与过程循环,但没有实际进入产品,相当于洁净水进入、废水排放。

  能不能利用催化技术,把煤中的大分子象石油炼制一样直接“剪开”,少排二氧化碳、少用水甚至不用水,高效拿到我们需要的东西?这应该是催化研究的愿景和长期目标,但现在还很难达到。

  我们正在研究一种新型催化技术,采用高性能催化剂,无需借助水循环,使得合成过程完全不用水,大大缩短了工艺,实现煤基合成气一步转化直接制烯烃。在保持二氧化碳排放量不变的情况下,降低水耗和能耗。去年9月,该技术已在陕西延长石油完成工业试验,目前正在实施全流程开车。一旦成功,这一概念有望推广至煤制油、制含氧化合物,甚至煤制含氧化合物等工艺过程,打造一个煤化工转化新平台。

  中国能源报:现在大火的煤制氢产业,可否作为一个发展方向?

  包信和:煤制氢技术相对成熟、成本相对较低,是目前制备氢气的重要途径。全世界一年使用氢气5000亿立方米左右,其中96%来自化石能源,其中很大一部分来自于煤转化。然而,使用煤制氢将排放大量的二氧化碳,未能彻底解决源头的碳排放问题。

  真正的“绿氢”,一定要通过可再生资源获得。用风、光、核产生的电能把水电解变成氢,其过程只排放氧气,不排二氧化碳。换句话说,氢能作为二次能源,自然界中没有氢,氢能实际就是可再生能源的搬运工,把可再生能源从这里搬到那里。如果将氢作为清洁能源,从碳减排角度,不建议使用煤炭等化石能源制氢。

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